система защиты от коррозии
Классы МПК: | C23F13/08 электроды, специально предназначенные для замедления коррозии путем катодной защиты; их производство; подведение электрического тока к ним |
Автор(ы): | Кедер Джозеф (US), Кордиа Йоханнес Мария (BE) |
Патентообладатель(и): | Н.В.Рейкем С.А. (BE) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-04-12 публикация патента:
10.02.1999 |
Изобретение относится к области защиты от коррозии трубопроводов, уложенных в земле, резервуаров. Задача, решаемая изобретением, - улучшение защиты от коррозии. Согласно изобретению, система защиты от коррозии содержит удлиненный электрод, обычно анод, пригодный для использования в системе защиты от коррозии с приложенным током. Электрод содержит центральную удлиненную сердцевину, обычно металл, такой как медь, факультативно-проводящее полимерное соединение, окружающее металлическую сердцевину и имеющее более высокое электрическое удельное сопротивление, чем сердцевина, но находящееся в электрическом контакте с сердцевиной, гибкую оболочку, например оплетку из материи, содержащую внутри себя кокс в виде частиц, и натяжные обертки, размещенные вокруг гибкой оболочки. Натяжные обертки использованы для того, чтобы уплотнить частицы кокса относительно их уплотнения в отсутствие указанных натяжных оберток. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Система защиты от коррозии, содержащая удлиненный элемент, включающий в себя электропроводящую удлиненную сердцевину и окружающую ее гибкую оболочку, содержащую в пространстве между ними богатый углеродом материал в виде частиц, предпочтительно кокс, отличающаяся тем, что она снабжена натяжными обертками, натянутыми вокруг гибкой оболочки для повышения уплотнения частиц богатого углеродом материала. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что удлиненная сердцевина включает в себя внутреннюю сердцевину и электрически проводящее полимерное соединение, окружающее внутреннюю сердцевину, имеющее по сравнению с ней более высокое электрическое удельное сопротивление и находящееся с ней в электрическом контакте. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что удлиненная сердцевина включает в себя внутреннюю сердцевину и слой электрически проводящего металла или окиси металла, окружающего внутреннюю сердцевину, имеющий по сравнению с ней более высокое электрическое удельное сопротивление и находящийся с ней в электрическом контакте. 4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что внутренняя сердцевина выполнена из материала, имеющего удельное сопротивление при 23oC менее 5![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
21.04.94 по п.1 и пп.1 - 15;
13.06.94 по пп.2 и 3.
Описание изобретения к патенту
Это изобретение относится к длиннолинейному электроду, предпочтительно к длиннолинейному аноду, для системы защиты от коррозии с приложенным током, например, для защиты от коррозии уложенных (в земле) трубопроводов, или резервуаров, или других объектов. Хорошо известны системы защиты от коррозии с приложенным током, в которых злектропроводящий объект защищается от коррозии путем установления разности потенциалов между объектом и отстоящим от него электродом. Объект и электрод соединены друг с другом через источник питания с постоянным знаком (постоянный ток или выпрямленный переменный ток), и цепь замыкается, когда в пространстве между объектом и электродом присутствует электролит. В большинстве таких систем с приложенным током объект является катодом (т.е. принимает электроны). Однако в случае объектов, которые могут быть пассивированы, например Ni, Fe, Cr и Ti и их сплавы, иногда также можно использовать системы с приложенным током, в которых объект является анодом. Как в катодной, так и в анодной системе объект часто снабжен защитным изолирующим покрытием; в этом случае приложенный ток протекает только по случайно оголенным участкам объекта. Если система должна иметь адекватный срок службы, сам электрод не должен подвергаться коррозии со скоростью, требующей его замены; это требуется в отличие от "расходуемых анодов", которые применяются в гальванических защитных системах. Электрод должен также иметь поверхность, которая не становится неэффективной из-за протекающего по ней тока или из-за электрохимических реакций, происходящих на этой поверхности, таких как выделение газа хлора. Электрод и источник питания должны быть такими, чтобы плотность тока во всех точках объекта была достаточно высокой, чтобы предотвратить коррозию, но не такой высокой, чтобы вызвать проблемы, такие как повреждение объекта (например придание хрупкости) или отслоение от него защитного покрытия. Энергопотребление системы зависит, в числе прочего, от расстояния между разными частями объекта и электрода. Ввиду этих факторов теоретически наилучший вид электрода - это тот, который можно разместить так, чтобы он был относительно близко ко всем точкам на объекте. С этой целью он может иметь форму, в основном соответствующую форме объекта. Такой электрод называется здесь "распределенным электродом". В ЕР 0067679 описывается распределенный электрод, обычно распределенный анод, содержащий металлическую, например медную, проводящую сердцевину и проводящую полимерную оболочку. В ЕР 0067679 описывается распределенный электрод, электрически активная внешняя поверхность которого имеет элемент, состоящий из проводящего полимера толщиной, как минимум, 500 мкм, предпочтительно, как минимум, 1000 мкм. Термин "проводящий полимер" используется здесь для обозначения соединения, содержащего полимерный компонент и диспергированный в полимерном компоненте состоящий из частиц проводящий наполнитель, который имеет хорошую стойкость к коррозии, в особенности сажу или графит. В частности, электрод содержит сердцевину с низким сопротивлением, электрически окруженную проводящим полимерным соединением, где анод является электродом, отстоящим от объекта, причем электрод имеет форму удлиненной гибкой полосы, которую можно сгибать под углом 90oC по радиусу 10 см, причем электрод содержит:1) непрерывную удлиненную сердцевину, состоящую из материала, имеющего удельное сопротивление при 23oC менее 5
![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
2) элемент, который
i) состоит из проводящего полимерного соединения, имеющего относительное удлинение, как минимум, 10% согласно стандарту ASTM D1708 Американского общества по испытанию материалов;
ii) обеспечивает, как минимум, часть электрохимически активной внешней поверхности электрода;
iii) имеет вид покрытия, которое электрически окружает сердцевину и находится в электрическом контакте с сердцевиной и которое имеет толщину, как минимум, 500 мкм. Когда анод на основе проводящего полимера, как он описан в ЕР 0067679, используется один для катодной защиты спустя многие годы и в экстремальных условиях окружающей среды, некоторое количество углерода в проводящей полимерной оболочке может расходоваться как часть электрохимического процесса защиты от коррозии. Поэтому также известно, в случае защиты от коррозии уложенных в почве объектов, использование вокруг анода засыпки из коксовой мелочи. Так, например, для защиты уложенных трубопроводов в земле нужно вырыть траншею рядом с трубопроводом, и когда в траншею травится анод на основе удлиненного проводящего полимера, он окружается слоем (например, толщиной около 50 мм) коксовой мелочи до засыпки сверху землей. Этот процесс описан, например, во "Внешнем ремонте трубопроводов" Р.Джона, в "Pipeline Magazine", октябрь 1990г. Коксовая мелочь создает большую общую поверхность анода и также уменьшает общее сопротивление системы. Известно также создание системы защиты от коррозии с удлиненным анодом, в которой имеется коксовая мелочь вокруг удлиненной сердцевины и проводящего полимерного слоя, заранее упакованная в оболочку из нейлоновой материи. Нейлоновая оболочка служит в этом случае средством подачи кокса. Более того, известно, что удлиненный анод с улучшенными характеристиками можно получить не только наличием кокса или другой богатой углеродом среды вокруг удлиненной проводящей сердцевины проводящего полимерного слоя, но и конкретным выбором материала оболочки, содержащего богатый углеродом материал. Известно, что предпочтительно выбирать материал оболочки таким, чтобы он был стоек к воздействиям окружающей среды, особенно к воздействию кислот и хлора. Результат этого выбора материала оболочки состоит в том, что богатый углеродом материал остается в большой близости с удлиненной проводящей сердцевиной и с проводящим полимерным слоем, окружающим удлиненную сердцевину, в ходе использования анода. Это описано в WO 93/02311 (RK 463). Мы же обнаружили, что рабочие характеристики электрода, обычно анода, описанного в WO 93/02311, или известного электрода (обычно анода), содержащего коксовую мелочь, подаваемую в нейлоновой оболочке, или характеристики любой электропроводящей удлиненной сердцевины, которая окружена электропроводящим расходуемым наполнителем, содержащимся в материи или в другой гибкой оболочке, можно улучшить путем размещения вокруг оболочки натяжных оберток, наложенных так, чтобы лучше уплотнить наполнитель внутри оболочки. Соответственно, это изобретение обеспечивает систему защиты от коррозии с удлиненным электродом, содержащую:
1) электропроводящую удлиненную сердцевину;
2) гибкую оболочку, окружающую удлиненную сердцевину и содержащую в пространстве между собой и сердцевиной богатый углеродом материал в форме частиц, предпочтительно кокс;
3) натяжные обертки, натянутые вокруг гибкой оболочки, так что уплотнение частиц богатого углеродом материала увеличивается относительно уплотнения в отсутствии этих оберток. Предпочтительно удлиненная сердцевина содержит внутреннюю сердцевину, которая сама по себе проводящая и которая окружена другим проводящим слоем, предпочтительно слоем проводящего полимера. Слой проводящего полимера предпочтительно имеет более высокое удельное сопротивление, чем внутренняя сердцевина, и находится в электрическом контакте со внутренней сердцевиной. Предпочтительно внутренняя сердцевина состоит из материала, имеющего удельное сопротивление при 23oC менее 5
![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
![система защиты от коррозии, патент № 2126061](/images/patents/345/2126001/183.gif)
а) намотки электрода на барабан с диаметром, в 8 раз превышающим диаметр электрода, хранения электрода на барабане в течение 12 часов с последующей размоткой для испытания;
б) вибрации отрезка электрода, намотанного на катушку (с диаметром как в (а)) на вибростенде с амплитудой 1 см при частоте 4 Гц. Указанные процедуры (а) и (б) предназначены имитировать соответственно условия хранения и условия транспортировки, которые может встретить электрод. Считается, что в принципе центрированный удлиненный элемент, способный поддерживать такую центровку, является новым. Поэтому другой аспект изобретения предусматривает наличие системы защиты от коррозии, содержащей удлиненный электрод, включающий в себя:
1) непрерывную электропроводящую удлиненную сердцевину;
2) гибкую оболочку, окружающую сердцевину и содержащую между собой и сердцевиной богатый углеродом материал в виде частиц, предпочтительно кокс;
3) натяжные обертки, натянутые вокруг гибкой оболочки, причем сердцевина в принципе центрирована внутри оболочки и эта принципиальная центровка удерживается, когда удлиненный элемент подвергается одному или обоим из следующих испытаний:
а) намотка на барабан с диаметром в 8 раз больше диаметра удлиненного элемента, хранение удлиненного элемента на барабане в течение 12 часов с последующей размоткой;
б) вибрация отрезка удлиненного элемента, намотанного на катушку (с диаметром как в (а)), на вибростенде с амплитудой 1 см при частоте 4 Гц. Как и в случае 1-го аспекта изобретения, предпочтительно, чтобы сердцевина содержала внутреннюю сердцевину и проводящее полимерное соединение, которое электрически окружает внутреннюю сердцевину, имеет более высокое электрическое удельное сопротивление, чем у внутренней сердцевины, и находится в электрическом контакте со внутренней сердцевиной. Однако предусматриваются также примеры реализации, в которых внутренняя сердцевина не покрыта или покрыта металлом, окисью металла или их комбинацией. Поддержание уплотнения богатого углеродом материала вокруг сердцевины особенно важно до самого момента установки электрода. После установки (обычно в земле) окружающая почва также будет стремиться удерживать уплотнение. Использование натяжных оберток, окружающих гибкую оболочку, также стало дополнительным преимуществом, которое в зависимости от используемого материала может повысить сопротивление истиранию электрода. Сопротивление истиранию - это особенно важный параметр, если электрод нужно укладывать в почву, где камни могут истирать электрод. Как говорилось выше, натяжные обертки, используемые в изобретении, предпочтительно имеют вид оплетки. Предпочтительно оплетка образует, как минимум, 10%, предпочтительно, как минимум, 20%, более предпочтительно, как минимум, 25% и для некоторых применений, как минимум, 40% покрытия (т.е. площади поверхности покрытия, лежащей ниже гибкой оплетки). Оплетку можно рассматривать как ряд смежных отверстий в форме ребра, и в одном предпочтительном примере реализации используется оплетка с прядями, которые достаточно тонко прослаиваются, чтобы получить оплетку, в которой 20-31, предпочтительно около 26 ромбов пересекают отрезок длиной 25 см. При правильном выборе волокон для оплетки это может дать покрытие оплетки около 25%. В другом предпочтительном примере реализации используется оплетка с прядями, достаточно тонко прослоенными, чтобы дать оплетку, в которой 50-70, предпочтительно около 60 ромбов пересекают отрезок длиной 25 см. При правильном выборе волокон для оплетки это может дать покрытие оплетки около 43%. Предпочтительно размер через любое отверстие в оплетке находится в диапазоне от 0,1 до 1,5 см, предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 1,5 см. Предпочтительно волокна или нити, используемые в оплетке, имеют диаметр от 0,20 до 0,50 мм. Волокна с относительно большим диаметром, например от 0,38 до 0,50 мм, могут создать лучшее натяжение уплотненного богатого углеродом материала и дать возможность лучшего контроля в процессе оплетания. Предпочтительные материалы для изготовления натяжных оберток это материалы с хорошей механической прочностью и с относительно хорошей стойкостью к воздействию кислот и хлора (фактор, важный при выборе материала для оболочки, как изложено ниже). Предпочтительные материалы - это полимеры, но можно использовать и любой материал, способный создать достаточное натяжение для уплотнения. Особенно предпочтительный материал - полиэфир, особенно Diolene, выпускаемый фирмой Enka. Для натяжных оберток предпочтительно используются волокна в виде одиночных нитей или пучков. Если используются пучки, волокна в пучке могут перекручиваться, но предпочтительно они не закручены и размещены рядом друг с другом. Гибкая оболочка, содержащая богатый углеродом материал, может иметь круглую конструкцию или оберточную конструкцию. Если это материя, круглая конструкция может получаться круговым тканием, вязкой, плетением, или же она может основываться на нетканой материи. В других примерах реализации матерчатая оболочка является оберточной, и продольные края материи соединены друг с другом. Края оберточной конструкции могут, к примеру, соединяться встык и склеиваться друг с другом в вертикальной полосе (ребре) (который может направляться внутрь или вовне оболочки). Как альтернатива, продольные края могут просто перекрываться и сцепляться друг с другом. Сцепление может производиться механическими средствами, такими как сшивание (можно использовать один шов или несколько швов), крючки и петли, например полоска Velrco, проволочные скобы, заклепки, использование зажимов или защелок, или же сцепление может предполагать использование адгезивов, или же сцепление может производиться сваркой, например сверхзвуковой сваркой, воздушной сваркой, сваркой с "горячим клином", радиочастотной сваркой, включая нагрев, или сваркой в растворителе. При использовании сшивания обычно делают 3-10 стежков на дюйм. Виды стежков могут быть, например, стежки цепочкой с двойной нитью, запорные стежки или оверлок с 3-мя нитями. К числу пригодных нитей для шитья относятся PTFE и Dralon T (фирма Bayer). Другие пригодные способы сцепления будут очевидными для специалиста. Можно также использовать комбинации методов соединения, например, склеивание адгезивом в сочетании с механическими средствами. Выбранный способ соединения зависит от природы выбранного материала оболочки. При применении адгезива, одного или в комбинации с другим методом сцепления, примеры пригодных к использованию адгезивов включают в себя двухлористое соединение поливинилидена и его сополимеры (например, Saran фирмы Dow Chemical), поливинил хлорид и его сополимеры, смолы фторополимера, акриловые смолы и сополимеры акриловой кислоты или метакриловой кислоты (например, Primacor и Nucrel фирм Dow Chemical и DuPont соответственно). Мы обнаружили, что применение натяжных оберток согласно изобретению также помогает удерживать свернутую конфигурацию оберточной оболочки, чтобы удерживать богатый углеродом материал внутри оболочки. В отсутствие натяжных оберток шов между продольными краями оберточной оболочки - это область потенциальной слабости, и использование натяжных оберток уменьшает эту слабость. (Специальный подбор механических или/и химических средств сцепления тоже может быть желателен для улучшения сцепления у продольного шва для удержания оберточной структуры). Улучшение, достигаемое использованием натяжных оберток, особенно очевидно при использовании клейкого сцепления-шва, поскольку при температурах выше 70oC, или даже 80oC или 100oC, клейкое сцепление (в зависимости от выбора адгезива) может не выдержать. Использование натяжных оберток согласно изобретению поэтому расширяет диапазон затворов, которые можно использовать для оберточной оболочки, поскольку они помогают сохранять свернутую конфигурацию оберточной оболочки. Как указывалось выше, стойкость к кислотам и хлору - это особенно предпочтительная черта гибкого материала оболочки. Эти черты изложены в WO 93/02311. Согласно этому патенту, материал гибкой оболочки полимерный и:
1) стойкий к кислотам до такой степени, что если секцию материала оболочки погрузить в соляную кислоту с концентрацией, как минимум, 0,01 N при 60oC в течение 90 дней и затем подвергнуть испытанию на растяжение и построить график нагрузка-относительное удлинение по результатам испытания, то
а) максимальная нагрузка, зарегистрированная во время испытания, составляет, как минимум, 60%, предпочтительно 70%, более предпочтительно 80% от максимальной нагрузки, зарегистрированной для кривой нагрузка - относительное удлинение для аналогичной секции того же материала, который не погружался в эту соляную кислоту;
б) относительное удлинение этой секции при максимальной нагрузке составляет, как минимум, 60%, предпочтительно 70%, более предпочтительно 80% от относительного удлинения при максимальной нагрузке аналогичной секции, которая не погружалась в эту соляную кислоту;
2) стойкий к хлору до такой степени, что если секцию материала оболочки погрузить в окисленный гипохлорит натрия в течение 90 дней, в течение какового времени достаточно кислоты добавляется к раствору гипохлорита периодически, так что хлор присутствует постоянно (т.е. химический хлор), и затем эту секцию подвергнуть испытанию на растяжение и построить график нагрузка-относительное удлинение, то
а) максимальная нагрузка, зарегистрированная во время этого испытания, составляет, как минимум, 70%, предпочтительно 80%, более предпочтительно 90% от максимальной нагрузки, зарегистрированной для кривой нагрузка-относительное удлинение для аналогичной секции того же материала, который не погружался в раствор окисленного гипохлорита натрия;
б) относительное удлинение этой секции при максимальной нагрузке составляет, как минимум, 60%, предпочтительно 70%, более предпочтительно 80% от относительного удлинения при максимальной нагрузке аналогичной секции, которая не погружалась в раствор окисленного гипохлорита натрия. Особенно предпочтительными материалами для гибкой оболочки являются полимеры или смеси полиакрилонитрила, частично или полностью галогенированные алифатические полимеры, в особенности поливинилиден хлорид или фторид политетрафтороэтилен, поли(этилен-тетрафтороэтилен), поли(этилен-тетрафтороэтилен), поли(этилен-хлоротрифтороэтилен), поливинил фторид, поливинилхлорид и поливинилацетат. Предпочтительные материалы на основе полиакрилонитрилов - это Dralon (Bayer), Orlon (DuPont), Courtelle (Courtaulds), Acrilan (Monsanto) и Dolan (Hoechst). Особенно предпочтительные материалы - это модакриловые полимеры, т.е. материал, содержащий между 35% и 85% полиакрилонитрила, например, Teklan (Courtaulds, который содержит 50/50 полиакрилонитрила/двухлористого соединения поливинилидена), Velicren (Enimont), SEF (Monsanto) и Kaneklon (соединение на основе винилхлорида, поставляемое фирмой Kanegafuchi). Другой предпочтительный материал - это Saran (сополимер PVDC фирмы Dow Chemical). Другой возможный, хотя менее предпочтительный, материал - это поли(бутилен-терефталат). Он имеет хорошую стойкость к хлору и желаемую стойкость к кислотам в среде около pH 2 (или в менее кислых средах). Однако его стойкость к кислотам в средах с pH, приближающихся к 0, менее благоприятна, чем у названных выше материалов. Богатый углеродом материал, окружающий сердцевину, может, например, содержать частицы ламповой сажи или сажи, частички кокса, предпочтительно частички кокса с диаметром порядка 100-500 микрон, хотя можно применять другие большие размеры, природный графит, порошок углерода или коротко нарезанное волокно в волокнистой матрице, пиролизный графит, прошедший пиролиз полиакрилонитрил или стекловидный углерод. На фиг.1 изображен продольный вид с частичным разрезом удлиненного элемента согласно изобретению; на фиг.2 - вид в поперечном разрезе устройства фиг. 1; на фиг.3 - вид в поперечном разрезе другого устройства согласно изобретению; на фиг.4 и 5 - виды сбоку дальнейших устройств согласно изобретению. Как видно, фиг.1 и 2 показывают устройство 2, содержащее сердцевину 3, включающую в себя внутреннюю сердцевину в виде медной проволоки 4, окруженной проводящим полимерным слоем 6. Окружающий слой 6 - это коксовая мелочь 8 внутри заключающего слоя 10, содержащего ткацкое переплетение материала на основе полиакрилонитрила. Оболочку 10 окружают натяжные обертки в виде оплетки 11, сделанной из одиночных нитей полиэфира, достаточно плотно сплетенного и натянутого, чтобы создать более высокое уплотнение кокса внутри оболочки 10 по сравнению с уплотнением кокса в оболочке без внешней оплетки 11. Как видно из фиг.2, оболочка 11 оберточного типа и продольные края 12 склеены друг с другом адгезивом 16. Внешняя оплетка 11 окружает место перекрытия и помогает удерживать оберточную конфигурацию в замкнутом виде, особенно при повышенных температурах. На фиг.3 показано альтернативное соединительное приспособление, в котором продольные края рукава упираются в вертикальный шов, направленный вовне оболочки 10, причем два ряда стежков 14 проходят вдоль шва, и соединение на клее находится между швов. Опять же, наружная оплетка 11 окружает шов (который перегибается под действием оплетки) и помогает удерживать оберточную конфигурацию в замкнутом положении. Вместо оберточной оболочки можно использовать материал в виде трубчатой оболочки (не показан). На фиг.4 показан другой пример реализации, в котором гибкая оболочка 10, окружающая кокс (не показан), уплотняется кольцевыми стяжками 18, натянутыми вокруг оболочки 10, чтобы уплотнить кокс 8 по сравнению с его уплотнением в отсутствие стяжек 18. Аналогичным образом, на фиг.5 показан другой пример реализации, в котором имеются натяжные обертки в виде 2-х наборов спирально обернутых стяжек 20 и 22, навитых в противоположных друг к другу направлениях. Стяжки 20 и 22 сцеплены друг с другом на каждом перекрестии в точке 24, так что в том случае, если часть одной из стяжек 20, 22 повреждается, вся спираль стяжки не разматывается.
Класс C23F13/08 электроды, специально предназначенные для замедления коррозии путем катодной защиты; их производство; подведение электрического тока к ним